数据通信原理讲义.docx

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数据通信原理讲义

数据通信原理讲义

长沙民政职业技术学院软件学院

邓文达

2007.5

目录

第一讲通信系统的基本概念3

1.1通信的概念3

1.2通信系统的简介3

1.3信号与噪声4

第二讲信道和传输介质7

2.1信道的概念7

2.2传输介质7

2.3信道的频率特性12

2.4信道的容量13

第三讲模拟信号的数字化16

3.1模拟通信系统与数字通信系统.16

3.2脉冲编码调制17

3.3非线性PCM21

3.4增量调制.22

第四讲数字信号的基带传输23

4.1码型编码23

4.2码间串扰26

4.3扰码和解码27

第五讲数字信号的频带传输和复用30

5.1数字调制30

5.2多路复用33

第六讲差错控制37

6.1产生差错的原因37

6.2差错控制的方式37

6.3有关概念39

6.4常用的检错码40

6.5可以纠错的编码41

第七讲数据通信系统45

7.1数据通信系统的组成45

7.2数据通信的方式46

7.3数据交换技术48

7.4数据通信系统的性能评价50

第八讲光纤通信技术52

8.1光纤通信的发展与现状52

8.2光纤通信系统54

8.3光纤通信复用技术58

8.4光通信技术的发展与展望59

第九讲移动通信技术60

9.1蓝牙技术60

9.2移动通信62

第一讲通信系统的基本概念

基本要求：

●掌握通信系统的组成；

●了解信号的概念、分类方法；

●掌握模拟信号与数字信号的区别；

●熟悉噪声的概念和分类；

●了解干扰的概念；

●掌握信号的带宽与信道的带宽的概念。

1.1通信的概念

在人类社会里，人们总是离不开消息的传递，古代的烽火台、金鼓、旌旗，今天的电话、书信、传真等等都是消息传递的方式。

把消息从一地到另一地的传递称为通信。

通信是与人类社会共生和共同进步的。

随着人类活动领域不断扩大，人类创造了一系列通信技术来支持人与人之间远距离的交往与协作。

最早的通信技术包括烽火狼烟、鸣锣击鼓。

18世纪中叶，人类发明了电信，可以利用电磁波载荷信息向远方传送。

早期的电信是电报和电话，包括有线和无线两种方式。

现代电信技术包括卫星通信、数字微波通信和电缆载波通信等，它们都有同时传送成千上万路电话的能力。

20世纪60年代出现了光纤通信，它的通信容量可以同时传送数十万路电话或数百路电视。

按照人类活动的需要，各种通信技术系统已经形成错综复杂的通信网络，成为人类赖以生存和发展的基础结构和设施。

由于计算机所能识别和处理的通常是电信号或光信号，因此我们所讨论的通信是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信和光通信。

1.2通信系统的简介

用于通信的硬件，软件和传输介质的集合叫通信系统。

通信系统由信源、发送设备、信道、噪声、接收设备和信宿几个部分组成。

信源是信号的产生地，信号的来源。

其作用是把各种消息转换为原始电信号，称为消息信号或基带信号。

发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为适合在信道中传输的信号。

变换方式是多种多样的，调制是最常见的一种方式。

信道是指传输信号的物理媒质。

信道可以是大气空间，也可以是架空明线、电缆、光纤等。

噪声不是人为加入的设备，而是通信系统的各种设备及信道中所固有的，影响有用信号传输的信号。

为了分析方便，将噪声视为系统中各处的噪声源的集中表现而抽象加入到信道。

接收设备的任务是完成发送设备的反变换，即从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号。

信宿是传输信息的归宿点。

信宿将复原的原始信号转换为消息。

通信系统组成如图1所示。

1.3信号与噪声

信息的物理表现形式是信号，实际上通信的过程就是信号传递的过程。

1.3.1信号的定义

信号是信息的载体，信息的物理表现形式。

信号必须具备可观测性、可变化性和可实现性。

对于我们所研究的光电信通信系统而言，信号可以定义为：

能够反映或表示信息的电压、电流、电荷及电磁波。

（光波也是电磁波）。

将它们统称为电信号，以后未经特别指明，都指电信号。

1.3.2信号的分类

可以从不同的角度对信号进行分类，常见的分类方法有以下几种：

1.按信号的外在表现特征将信号分为模拟信号和数字信号两大类。

模拟信号：

取值连续的信号，如时间、温度、电波、声音信号等。

在电子通信中，常见的电磁信号为正弦波，可表示为：

S（t）=Asin（2

t+

），其中，A表示幅度，

表示频率，

表示相位。

正弦波信号

实际上，电磁信号正弦波可以是幅度、频率或相位中任一值的函数。

比较常见的自变量取值是取幅度。

自变量连续变化即为模拟信号。

模拟信号的特点是具有波动性，持续变化，能反映事物的本质，在电信业被广泛使用超过100年，技术比较成熟；

数字信号：

取值离散的信号，如电脉冲。

正弦波信号的自变量取值不连续，也属于数字信号。

数字信号

数字信号具有跃变性，离散性，其对应设备性能好，价格也便宜。

.按传输介质的不同分为有线信号和无线信号。

通过导线传输的信号为有线信号。

利用自由空间进行传输的信号称为无线信号。

3.按信号变化的规律分为周期信号和非周期信号。

周期信号：

信号按一定的规律重复出现。

不管是连续信号还是离散信号，如相同的信号形式能周期性地重复则称为“周期信号”，周期信号的数学表达式为

S（t+T）=S（t）—∞＜t＜+∞，T为信号周期。

正弦电磁波波信号是周期信号。

将一个信号周期所占的距离定义为波长。

=CT，C=光速，即3×108m/s，T为信号周期。

=C，

=1/T，为信号频率。

非周期信号：

除了周期信号外的所有信号。

1.3.3信号的成分

正弦波是基本的连续信号，它可以表示为S（t）=Asin（2

t+

），其中，A表示幅度，

表示频率，

表示相位。

而通常的电磁信号并非单一的一个正弦波，它包含多个频率成分。

例如图中所示的正弦波S（t）=sin（2

1t）＋sin（2

（3

1）t）

它是由频率

1和频率3

1合成，后者是前者的整数倍。

频率

1是合成信号的基本频率成分，称为基频，其对应的信号称为基波。

频率3

1称为3次谐波。

信号周期等于基本频率信号的周期T。

任何电磁信号都可以表示为不同振幅、频率和相位的正弦波的集合。

1.3.4频带的概念

频带是信号所含频率的范围。

许多信号具有无限大的带宽，然而大部分信号能量包含在一个想度较窄的频率范围内，称为有效带宽或带宽。

带宽越大，信息的传输能力越大。

1.3.5噪声

所谓噪声是指与准备接收的信号混杂在一起而引起信号失真的不希望的信号。

可这样的理解：

信号是信息的载体，确切地说指“有用信息”，不携带有用信息的信号即为噪声。

显然，噪声是针对有用信号而言的。

一个信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合即有可能成为噪声。

噪声是影响通信系统性能的主要因素。

1.3.6噪声的分类

噪声可以来自通信系统的内部或外部。

根据其产生的原因，可以将噪声分为四类。

1.热噪声，由导体中的电子热运动造成的，它存在于所有的电子设备和传输介质中，且是温度的函数。

热噪声是无法消除的。

因此通信系统的性能有上限。

热噪声均匀分布在整个频率范围内，类似于光学中白色光的光谱，它包含所有可见光光谱，故称为白噪声。

2.互调噪声，当不同频率的信号共享同一传输介质时，可能会产生互调噪声，即产生了额外的信号，这是由于通信系统的非线性因素引起的，在频率相加或相减的位置产生。

3.串扰，载有多路信号的相邻电缆之间发生电耦合造成的，例如电话串线。

上述噪声都是可以预测的，并且有比较固定的幅度，在设计通信系统时有可能妥善处理这些问题。

4.冲击噪声，无规律的，突发的噪声信号，多数来自系统外部。

1.3.7干扰

干扰指来自通信系统内、外部的噪声对接收信号所造成的骚扰或破坏。

干扰是一种电信号，是一种由噪声引起的对通信产生不良影响的效应，但并不是所有的噪声都会产生干扰。

可以采取措施降低干扰的影响，称为抗干扰。

设备的抗干扰能力成为衡量设备性能的主要指标之一。

第二讲信道和传输介质

基本要求：

●信道的概念；

●了解传输介质的分类；

●熟悉双绞线的概念及相关标准；

●了解同轴电缆；

●掌握光纤的工作原理；

●了解无线传输介质；

●熟悉影响信道传输性能的因素；

●掌握信息的度量单位；

●掌握信道容量的计算方法。

2.1信道的概念

所谓信道就是信息传输的通道。

信号必须依靠传输介质进行传输。

故狭义上说，就把传输介质称为信道。

但实际上信号的传输要经过传输设备，因此，把包含传输设备在内的整个信号传输的通道称为广义上的信道。

2.2传输介质

传输介质是指可以传播电磁波的物质，主要分为有线介质和无线介质。

2.2.1有线介质

有线介质又称为导向介质。

常见的有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤。

1.双绞线（TwistedPair）

（1）双绞线简介

双绞线又称为双扭线，是由若干对且每对有两条相互绝缘的铜导线按一定规则绞合而成的。

这种绞合结构是为了减少相邻线对间的电磁波干扰（串扰）。

为进一步加强抗干扰能力，还可在双绞线外层加上金属丝编织的屏蔽层。

加了屏蔽层的称为STP（ShieldTwistedPair），未加屏蔽层的称为UTP（UnshieldTwistedPair）。

双绞线即可传模拟信号，又可以传数字信号。

导线越粗，通信距离越远。

UTP双绞线RJ-45接口RJ-45水晶头

（2）双绞线标准

目前制定双绞线标准的主要组织是EIA（ElectronicIndustriesAssociation，美国电子工业协会）/TIA（TelecommunicationsIndustriesAssociation，美国通信工业协会）。

EIA主要制定有关接口电缆特性的标准，例如RS-232。

TIA专门制定通信配线及架构方面的标准。

CCIA（ComputerCommunicationIndustryAssociation，美国计算机通信行业协会）1985年要求EIA/TIA制定有关建筑物综合布线方面的标准，1991年7月，EIA/TIA568被制定出来。

1995年8月，被修订为TIA/BIA568A，它正式规定了综合布线系统的线缆与相关组成部件的物理和电气标准，即商用大厦电信布线标准。

随着更高性能产品的出现和市场应用需要的改变，EIA/TIA发布了许多技术公告（TSB），并着手修订568-A为568-B。

故568-B是568-A的升级，其中包含了六类线缆标准。

在实际的布线施工中，两种标准的线序不同。

线序

1

2

3

4

5

6

7

8

568-A标准线序

绿白

绿

橙白

蓝

蓝白

橙

棕白

棕

568-B标准线序

橙白

橙

绿白

蓝

蓝白

绿

棕白

棕

（3）双绞线的分类

EIA/TIA将双绞线分为以下几类：

名称

传输频率

传输速率

主要用途

一类线

主要用于传输语音，不能传输数据。

二类线

1MHZ

4Mbps

4Mbps的令牌环网

三类线

16MHZ

10Mbps

10BASE-T

四类线

20MHZ

16Mbps

10Mbps令牌环网

五类线

100MHZ

10Mbps

10BASE-T与100BASE-T

超五类

100MHZ

1000Mbps

衰减，串扰，延时小，性能高（与五类比）

六类

250MHZ

1000Mbps

改善了回波损耗，串扰（与超五类比）

在双绞线产品家族中，主要的品牌有安普、西蒙、朗讯、丽特、IBM等。

2.同轴电缆

同轴电缆分为基带同轴电缆，特征阻抗50Ω，传输速率可达10Mbps-100Mbps；宽带同轴电缆，特征阻抗75Ω，常用于传输闭路电视信号。

其中，50Ω同轴电缆又分为粗缆与细缆。

粗缆，特征阻抗50Ω，直径1cm；细缆，特征阻抗50Ω，直径0.5cm。

同轴电缆的优点是传输距离较远，覆盖的地域范围较大，技术非常成熟。

但其缺点也是非常明显的，电缆硬，折曲困难，重量重。

在局域网常使用同轴电缆，但不适合用于楼宇内的结构化布线，现在较少使用。

3.光纤

光纤是一种能引导光束的细（2-125μm）且柔软的介质。

各种玻璃都能制造光纤，例如塑料、纯硅等，常见宣传口号是：

光纤无铜，偷也没用。

（1）光纤的组成

光纤由纤芯、包层、护套等组成。

（2）光纤的工作原理

光的反射定律：

反射角=入射角

光的折射定律：

N1sin

=N2sin

，

为入射角，

为折射角。

N1、N2为两种物质的折射率。

若N1>N2则必

>

，当N1与N2比值大到一定程度，可使反射角

≥90°，光线被全部反射，故称全反射。

光纤的工作就是基于光的全反射原理。

来自光源的光进入光纤的纤芯，角度较小的光束被反射，沿着光纤传播。

其它的光束被涂覆材料吸收。

可以从各个不同角度入射，光线在同一光纤中同时传播，称这种光纤为多模光纤。

多模光纤

存在的问题：

从不同角度入射的光，其在传播中的路径不同，因此穿过光纤所需的时间不同，限制了正确接收数据的速率。

也就是说，在两个光脉冲间要留有时间的间隔，因此传输速率受到限制。

将纤芯的半径减小，能被反射的光角度变小，小到只能通过一个角度或模式的光，称为轴心光线。

这样的光纤是单模光纤，单模光纤性能卓越。

单模光纤与多模光纤比较表

项目

单模

多模

传输距离

长

短

速率

高

低

光纤源

激光

发光二极管

信号衰减

小

大

端接

较难

较易

造价

高

低

光纤通信的频谱范围：

1014～1015HZ。

常见的光源有LED，发光二极管和ILD，注入激光二极管。

常用的光波波长：

在光纤通信中，光的最佳传输有三个波长：

850nm、1300nm和1550nm，波长越大，传输损耗越低，传输距离越长。

所谓波分复用是指多束不同频率的光束在同一光纤上传送，传输速率可达80Gbps。

（3）光缆

将光纤与加强芯、填充物、包带层等装在护套中成为光缆。

光缆的优点为传输速率高，传输距离远，传输损耗低，抗干扰能力强；

光缆的缺点是价格相对较高，安装比较困难。

光缆适合于楼宇内部的结构化布线

四芯光缆剖面图

4.影响导向介质传输性能的主要因素

（1）衰减

电磁信号沿任何介质传输时，总会有削弱，距离越大削弱越严重，这称为衰减。

频率越高，信号的衰减也越严重。

衰减造成信号的损伤，称为衰减失真。

（2）延迟

信号的不同频率成分在介质中传输速度不同，造成信号的损伤称为延迟失真。

（3）噪声

因此，传输系统的设计必须考虑以下问题：

必须保证收到的信号有足够的强度，以便信号接收电路能检测到并且能正确解释信号；

信号电平必须比噪声高出足够多，以保证接收无错误。

2.2.2无线介质

无线介质又称为非导向型介质，使用电磁波作为信号载体，信号的发送和接收都使用天线。

天线有两种基本结构：

定向结构，发射无线发射一束集中的电磁波波束。

发射与接收有方向性；全向结构，发射信号在各个方向上传播，并被许多天线所接收。

为了合理、充分地利用无线电频率资源，根据频率的不同，将电磁波分为9大波段（频率）.分别应用于不同场合。

频率越高，方向性越好。

频率名称

频率范围Hz

波长范围

波段名称

主要用途

VF

音频

103

105m

VLF

甚低频

104

104m

甚长波

同轴

LF

低频

105

103m

长波

AM广播

MF

中频

106

102m

中波

广播

HF

高频

107

10m

短波

业余无线电、广播、军用

VHF

甚高频

108

1m

超短波

电视

UHF

特高频

109

0.1m

微波

电视

SHF

超高频

1010

10-2m

地面与卫星通信

EHF

极高频

1011

10-3m

1012～1014

10-4～10-5

红外线、紫外线

1014～1015

10-5～10-6

可见光

在我们讨论的无线传输中，重点关注三个频段。

①2～40GHz，微波，适用于点到点传输；

②300M～1GHz，无线电，适合于全向应用；

③3×1011～3×1014Hz，红外区，适用于本地点到点应用（室内）。

1.微波

微波分为地面微波与卫星微波两大类。

（1）地面微波

常用的地面微波频率范围在2-40GHz。

最常见的地面微波天线是抛物面形，位置固定，以使一束电磁波沿视线方向传到接收天线处。

收、发天线应位于高处，无障碍阻挡。

可以通过微波中继实现长距离传输。

地面微波主要用于长距离通信。

10GHz以上受降雨影响大。

地面微波通信的优点是通信信道的容量很大，受外界干扰影响比较小，传输质量较高，投资少、见效快。

地面微波通信的缺点是相邻站之间必须直视，不能有障碍物；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；同时，与电缆通信系统相比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；对大量中继站的使用和维护，要耗费一定的人力和物力。

（2）卫星微波

一个通信卫星实际上是一个微波中继站。

卫星在一个频带上接收传输信号（上行链路），又在另一个频带（下行链路）上传递。

适合的频率范围是1～10GHz。

常用的卫星微波频段有C波段和

C波段：

上行链路5.925-6.425GHz，下行链路7.2-7.7GHz。

又称4/6GHz波段,是1-10GHz范围内最佳区域，已饱和。

因此，又开发了12/14GHz波段，采用上行链路14-14.5GHz，下行11.7-12.2GHz，但该波段衰减大。

为怕该波段饱和，还计划使用19/29GHz波段，上行27.5-31GHz，下行17.7-21.2GHz，衰减更大。

卫星微波波段的主要应用是电视、长途电话以及商业网络。

卫星微波通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。

但卫星微波通信延迟大，有0.25S传播延迟。

2.无线电

无线电主要应用于移动电话系统。

我们常说的G网，频段位于900MHZ和1800MHZ处。

3.红外线

红外线的特点是必须视距内直线传输，或通过浅色表面反射，不能穿透墙壁。

它的使用不须要得到频率分配许可。

4.影响非导向介质传输性能的主要因素

（1）自由空间损耗。

随着距离的增大，信号逐渐扩散开来，因此，接收到的能量减小。

这是卫星通信信号的主要衰减形式；

（2）大气吸收。

例如水蒸气主要吸收频率在22GHZ附近信号，而氧主要吸收频率60GHZ的信号；

（3）多径效应。

所谓多径效应指信号从发点到收点经多条反射路径造成干扰。

（4）折射。

无线电波在大气层中传送会产生折射，影响接收。

（5）热噪声。

白噪声是不可避免的。

2.3信道的频率特性

2.3.1信号的带宽

1.3.4中介绍了信号的频带的概念，此处再次做一回顾。

正弦波可以写作S（t）=Asin（2

t+

），其中，A表示幅度，

表示频率，

表示相位。

而实际的电磁波由多种不同的成分的频率组成。

通过将足够的正弦信号加起来，其中每个正弦信号都具有适当的振幅、频率和任意的相位，就可以构成电磁信号。

换句话说：

任何电磁信号都可以表示为不同振幅频率和相位的周期性模拟信号（正弦波）组成的集合，即电磁信号包含多个频率分量。

信号的频带是信号所含频率的范围。

许多信号具有无限大的带宽，然而大部分能量包含在一个想度较窄的频率范围内，称为有效带宽或带宽。

2.3.2信道的带宽

信道对信号传输的影响主要表现在两方面

①不同频率的信号幅度衰减不同。

频率越高，幅度衰减越大。

这称为信道的幅频特性。

②不同频率的信号延迟不同。

这称为相频特性。

上述特性统称为信道的频响特性，但多数情况下，较为关注幅频特性。

将信号幅值与频率变化的关系绘成曲线，称为频响曲线。

频响曲线

多数信道的频响曲线为带通型，即信道对某一频率段的信号幅度影响不大，且基本一致；而对大于或小于该频率段的信号影响大，且逐渐衰减到0。

以输出信号幅度最大值为标准，定义输出幅值下降到70%时所对应的两个频率间的频带叫信道的通频带。

频率小的叫下截止频率，另一端为上截止频率。

信道的带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，即信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。

信道带宽是由信道的物理特性所决定的。

例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽范围也在300～3400Hz。

由于人类对300Hz-3400Hz范围内话音教敏感、能辨别，所以将具有3.1KHZ通频带的信道称为话音级信道。

2.4信道的容量

2.4.1信息量的概念

能衡量信息多少的物质物理量叫信息量。

信息如何度量？

这就涉及到对信息的准确定义。

例如，如果定义信息是事物的运动状态，那么事物状态的丰富程度则为信息度量的基本参数。

如果把信息定义为结构的表达，则结构的差异、复杂性成为度量信息的基本参数。

因此，衡量“人被狗咬”与“狗被人咬”的信息量的方法，从不同的角度，会得来不同的结果。

在通信领域，信息量指的是将信息用符号表示后符号的数量。

在计算机中，信息通常由二进制符号表示，其单位为比特（bit）。

也可以用其它进制的符号数量单位表示信息量。

例如十进制单位称哈特莱，e（指数）单位称奈特nit，均很少用。

2.4.2信息的传输速率

1.码元的概念

在信息的传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式体现的。

信号是信息的物理表现形式，其单位是码元，码元是最小的传输单元。

每个码元所承载的信息量依通信系统的定义而不同。

每码元携带的信息量I＝log2N（N，不同信号的数目），单位是比特。

例如，系统中一共传送2种信号，则每信号携带1bit信息；若系统中传送4种信号，则每个信号可承载2bit信息。

2.比特率

信息必须经过信道才能传输。

单位时间内信道上所能传输的最大的信息数量称为信道的容量，用比特率表示，单位是bit/s，记为bps。

3.波特率.

由于系统中实际传送的是信号，故有时也会用码元的传输速率来表示信道的传输水平，称为码元传输速率，又称为码元速率或调制速率，即波特率，单位用波特表示，记为Baud。

信息的传输速率Rb＝I×RB，其中Rb为比特率，RB为波特率，I为每码元携带的信息量。

4.波特率与比特率的关系

比特率是信息的传输速率，又称为传信速率，单位为“比特/秒”，波特率是码元的传输速率，单位为“波特”。

若1个码元只携带1比特的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等；

若1个码元携带n比特的信息量，则M波特的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

5.例题。

设信号码元的时间长度为833×10-6秒，当采用4电平传输时，求信息的传输速率和信号的传输速率。

解：

信号的传输速率＝1/（833×10-6）

＝1200（Baud）

信息的传输速率＝1200×log24

＝2400bps

2.4.3奈奎斯特公式

为了提高信号的传输效率，我们总是希望在一定的时间内能传输尽可能的码元。

然而，即使信道比较理想，码元的传输也不